基于TMS32OF2812的振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-工業(yè)控制
摘要：本文主要介紹了以TMS320F2812為控制核心的小型多通道振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)前置調(diào)理電路和運(yùn)用MAX547實(shí)現(xiàn)的多通道D／A轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了討論，并給出了軟件設(shè)計(jì)流程。本系統(tǒng)在實(shí)際的振動(dòng)主動(dòng)控制中得到了成功應(yīng)用。
關(guān)鍵字：數(shù)字信號(hào)處理器；振動(dòng)主動(dòng)控制；MAX547
0 引言
在現(xiàn)代艦船和空間飛行器上，低頻振動(dòng)是困擾人們的一大難題，如何快速消除振動(dòng)，降低危害，成為人們比較關(guān)注的問(wèn)題。振動(dòng)抑制的方法主要有振動(dòng)被動(dòng)控制和振動(dòng)主動(dòng)控制，振動(dòng)被動(dòng)控制雖然不需要外界提供能量，容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)低頻振動(dòng)控制能力有限，對(duì)突發(fā)環(huán)境應(yīng)變能力差；而振動(dòng)主動(dòng)控制則有較大的靈活性，對(duì)低頻振動(dòng)抑制的效果尤其好，成為人們重點(diǎn)研究的方法。
本文針對(duì)某類(lèi)結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了以TMS320f2812(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F2812)為核心，包含傳感器、調(diào)理電路、D／A轉(zhuǎn)換電路、功率放大器和作動(dòng)器的多通道嵌入式振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先傳感器拾取振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)電荷放大器轉(zhuǎn)換調(diào)理為0～3V的電壓信號(hào)，再經(jīng)濾波和限幅保護(hù)送至DSP內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模一數(shù)轉(zhuǎn)換。DSP根據(jù)采集的各路振動(dòng)信號(hào)，運(yùn)行控制算法輸出控制量，經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換電路和功率放大器轉(zhuǎn)換成直接作用在被控對(duì)象上的力或力矩，抑制或消除對(duì)象振動(dòng)。為了減小D／A轉(zhuǎn)換階梯信號(hào)產(chǎn)生的高頻噪聲，又加入了平滑濾波處理。DSP通過(guò)JTAG口、仿真器與主機(jī)相連，進(jìn)行控制算法的編譯和載入，通過(guò)內(nèi)置SCI模塊與主機(jī)串行通信，向主機(jī)傳送振動(dòng)信號(hào)和控制量，以便對(duì)控制過(guò)程分析評(píng)價(jià)，對(duì)算法改進(jìn)完善。
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1 硬件設(shè)計(jì)
F2812是一款適用于自動(dòng)控制的高性能芯片，具有32位定點(diǎn)處理器，150MHz時(shí)鐘頻率，18K×16位的SARAM和128K×16位的Flash存儲(chǔ)器，硬件實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，處理速度較快；另外具有一些適用于控制系統(tǒng)的內(nèi)設(shè)和接口，如16通道的12位A／D轉(zhuǎn)換器，外部存儲(chǔ)器并行接口，SCI串行通信接口和JTAG仿真器接口等，因此在本系統(tǒng)中也選用對(duì)電纜分布電容要求不高的電荷放大器作為前置放大器；作動(dòng)器可以是壓電器件，也可以是電磁作動(dòng)器件，根據(jù)對(duì)象的需求，需要配置相應(yīng)的功放。F2812本身不具有D／A轉(zhuǎn)換模塊，本文利用MAX547設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了F2812的D／A轉(zhuǎn)換電路，可以同時(shí)輸出8路模擬信號(hào)。
1．1 電荷放大器
常用的電荷放大器是一個(gè)具有直流反饋的反相積分電路，若要改善電路的低頻特性，需要增大直流反饋電阻的阻值，為此我們采用了T型網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)較大阻值。如圖2所示，Ral7、Ral8和Ral9組成T型網(wǎng)絡(luò)，等效電阻為：
通過(guò)調(diào)整Ral7、Ral8和Ral9的大小，可以獲得較大的阻值。但在調(diào)試的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)量時(shí)間的延長(zhǎng)，輸出仍然會(huì)漂移至飽和，為此我們又利用一個(gè)一階同相積分環(huán)節(jié)取出輸出的直流分量，反饋至Ral9的一端，形成自跟隨網(wǎng)絡(luò)，如圖2左半部分所示。使用中積分電容要選擇漏電流比較小、溫漂小、性能比較穩(wěn)定的電容，放大器要選取高增益、高輸入阻抗、低偏置電流、低溫漂的運(yùn)算放大器，才能保證電荷放大器的性能。
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1．2 濾波保護(hù)電路
在振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)際應(yīng)用中所關(guān)心的信號(hào)頻率一般在0．5～200Hz之間，為了濾除低頻漂移和不必要的高頻信號(hào)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)五階貝塞爾(Bessel)低通和一個(gè)一階高通組成的帶通濾波器，五階貝塞爾低通又分別由兩個(gè)二階低通和一個(gè)一階低通組成，它們的參數(shù)分別為：通帶增益1，截止頻率475Hz，Q值0．577；通帶增益1，截止頻率565Hz，Q值O．737；通帶增益1，截止頻率530Hz，一、二級(jí)二階低通由單位增益KRC電路實(shí)現(xiàn)。
信號(hào)在進(jìn)入DSP的ADC之前應(yīng)采用加法比例電路調(diào)整到0～3V之間，低于0V或超出3V均有損壞DSP的危險(xiǎn)，為此我們又加了一個(gè)限幅保護(hù)電路，如圖3所示。
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